隨機接入機制在5G非授權頻段通信中的應用

魏 康，孫立科

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

5G非授權頻段接入具有可用帶寬大、以及免費的優勢，因此對5G非授權頻段通信進行研究，通過合理規劃和部署，實現5G通信的接入和無線覆蓋，滿足設備通信業務多樣化的需求，具有重要意義[1]。國外對5G非授權頻段通信研究較為成熟，提出5G容量提升的通信技術，通過合作和非合作的共存機制，總結現有的非授權頻段，指出在5G網絡的場景下，面對不同的部署密度，通過隨機幾何理論，對非授權頻段的鏈路吞吐量性能進行分析，利用馬爾科夫鏈模型，分析非授權頻段的接入過程。國內5G非授權頻段通信研究取得較大發展，考慮5G非授權頻段的干擾共存問題，提出一種針對雙聯接的流量卸載算法，提升5G非授權頻段的用戶性能，在保證隨機接入公平性的基礎上，對5G網絡和其他基站間的非授權頻段進行劃分，實現5G網絡與其他基站的共存[2]。根據以上理論，提出基于隨機接入機制的5G非授權頻段通信方法，改善5G非授權頻段的通信性能。

1 5G非授權頻段通信中的應用方法

1.1 基于隨機接入機制接入5G非授權頻段

在5G通信網絡中，輔助非授權頻段隨機接入。將非授權頻段作為次小區，授權頻段作為主小區，為保證通信質量，采取和WiFi相同的先偵聽后傳輸機制，用戶通過授權頻段的主小區信令，對非授權頻段的次小區信令進行傳輸，由于5G非授權頻段是單載波，因此采用空閑信道檢測技術，檢測信道能量，并將檢測能量與能量門限值進行對比，當能量高于門限值時，表明通信信道被占用，否則判斷信道未被占用[3]。

選取未被占用的通信信道后，傳輸5G非授權頻段信息，配置時分復用載波，對非授權頻段載波進行聚合，利用基站感知數據傳輸信道，部署5G網絡的通信場景，設置載波數量可以多于1個，當載波數量少于1時，信道將被釋放，當信道釋放后，則使用LBT機制重新選擇并占用信道[4]。采用隨機接入機制，接入5G非授權頻段，其過程如圖1所示。

如圖1所示，終端隨機選擇一個前導序列集合，發送至隨機接入信道，并通過路徑損耗補償的開環，計算前導碼數目N，其計算公式為：

其中j為非授權頻段隨機接入的用戶設備子集，Dj為子集的用戶設備終端數量，αj為用戶設備子集的導頻分配值，取值為[0，10]，P為非授權頻段隨機接入的優先級組別。通過式（1），使前導碼組中的前導碼，在通信信道中競爭隨機接入，至此完成基于隨機接入機制的5G非授權頻段隨機接入。

1.2 實現5G非授權頻段通信

5G通信信道中同一優先級的用戶設備，隨機接入時會產生隨機沖突，因此在接入非授權頻段后，要通過信道傳輸的反饋信息，自動調節非授權頻段的接入參數，實現節點在5G網絡中的通信。采用二進制退避的載波偵聽多路訪問協議，確保用戶設備節點在接入信道的爭搶退避，通過退避機制，實現信道MAC層資源的調度分配，固定窗口長度，使數據傳輸符合LTE的幀結構，讓頻譜感知在每一幀的時隙上進行。當基站檢測到信道的前導序列后，反饋非授權頻段的接入響應，其反饋內容包括前導標識、5G網絡臨時標識、定時調整信息、及5G網絡退避標識等，當終端接收到前導序列匹配的RAR時，對通信信道的信息進行調度，調度內容包括重新建立連接請求信息、無線資源控制、5G網絡臨時標識等[5]。

若基地成功解析調度信息，則判斷通信信道的調度信息未發生碰撞，否則判斷終端調度信息發生碰撞。當信息發生碰撞后，退避競爭失敗的非授權頻段，設置最大退避次數為3次，退避一段時間后，使非授權頻段再對信道發起接入請求。最后計算基站信號的信噪比，將其與切換門限進行比較，使5G基站配對與門限負載值對應的用戶設備終端，通過正交模式，將用戶設備接入5G網絡，實現通信信道的信息傳輸。初始接入的發送功率Q計算公式為：

其中Wmax為非授權頻段接入的最大功率，U為用戶設備通信數據的到達功率，M為傳輸的資源塊大小，L為5G通信鏈路的補償參數，Y為路徑損耗。計算發送功率與基站熱噪聲方差的比值，得到設備終端到達5G基站的接收信噪比，至此實現5G非授權頻段通信的數據傳輸。至此完成隨機接入機制在5G非授權頻段通信中的應用方法設計。

2 實驗論證分析

進行對比實驗，將此次設計方法記為實驗A組，傳統5G非授權頻段通信方法，記為實驗B組，比較兩種方法下不同設備的隨機接入成功率。實驗對象選取單個小區場景，場景包含多個設備和一個5G基站，將設備劃分為5個優先級別，實驗參數設置如表1所示。

表1 實驗參數設置

統計兩組通信設備在5G非授權頻段通信網絡中，隨機接入的成功率，其實驗對比結果如表2所示。

表2 設備接入成功率對比結果

由表2可知，當設備數量增加時，通信網絡接入成功率隨之下降，但實驗A組設備接入成功率平均值為89.44%，實驗B組平均成功率為82.86%，相比實驗B組，A組接入成功率提高了6.58%。綜上所述，此次設計方法提高了設備接入成功率，使5G通信網絡能夠有效應對海量設備的隨機接入，避免了設備接入擁塞。

3 結 論

此次設計方法應用隨機接入機制，提高了設備在5G通信網絡中的接入成功率。但此次研究仍存在一定不足，僅考慮了宏基站和微基站組成的網絡場景，在今后的研究中，會進一步研究不同類型的基站部署，針對不同的接入網制式，提出相應通信管理技術。